一种具有防渗排水功能的隧道结构及其冻结施工方法与流程

本发明属于隧道施工技术领域，特别是涉及一种具有防渗排水功能的隧道结构及其冻结施工方法。

背景技术：

隧道防排水是指为了保证隧道建筑不致因渗漏水造成病害，危及行车安全，腐蚀洞内设备，降低结构使用寿命而采取的防水及排水措施。是一项涉及地形、气候、工程地层和水文地质、结构方案、施工方法和材料性质等因素的综合性工作；基本要求应以预防为主。

特别是脱贫任务重的中西部地区和西南地区，在建高速公路的桥隧比都很高，因此隧道将出现井喷式的建设。但隧道修筑在地表之下，时刻处于地下水包围的环境中，倘若隧道防排水设计不合理或施工工艺不妥当，都将导致隧道防排水体系出现缺陷，从而引发隧道发生渗漏水。工程界中常说的“十隧九漏”充分反映了隧道渗漏水问题的严重性，渗漏水己经成为我国公路隧道最常见的病害。而结构中的渗水反过来又会加剧隧道各类病害的产生和发展，最终影响隧道的使用年限和使用性能。

我国常用的堵水措施有：混凝士衬砌堵水、塑料板堵水和注浆堵水。当隧道采用暗挖法施工时，采用止水或者排水处理隧道开挖范围内的地下水是隧道开挖前的基础工作。目前，我国隧道止水一般采用注浆止水或者旋喷桩止水，这两种止水方式都需要向土层中注入水泥浆液，污染地下水水质，同时水泥浆液流向不易控制，容易堵塞地下水的渗流通道，改变地下水的渗流路径，使原本监测得到的地质条件与地下水情况发生改变，不易掌控，若再次进行整体量测，则耗费大量人力物力财力，不划算。而采用排水方案，将浪费宝贵的地下水资源，同时排水引起的地下水位降低易引起周边邻近建、构筑物的沉降变形。不论是止水还是一味地排水都将对地质环境与地下水体环境造成不可逆的影响，在一定程度上有违保护环境、保护水资源的原则。

防水技术主要分为两种，一种是材料防水；一种是隧道结构防水。

在国外，日本的隧道防排水技术走在世界世界前列，针对不同类型的隧道往往日本采用不同的防水设计理念，根据隧道地理位置的不同，采用不同的防排水模式。对城市、海底隧道采用“以堵为主，堵排结合”的模式，对山岭隧道采用“以排为主，堵排结合”的模式，有专门的公司负责研发防排水材料，将信息化技术应用于防排水系统的设计和施工中，对防排水系统的质量严格把关。目前，网外防排水技术在强调隧道结构自防水效果的基础上，由多道防水向一道防水发展，防水材料与施工工艺相结合，大力发展复合式防排水材材料，以取得良好的工程与经济效益。针对衬砌结构段间施工缝处的防水，日本开发了异丁基橡胶止水带，这种止水带中夹钢片，施工方便，能取得良好防水效果。

隧道冻结法施工，顾名思义，是沿开挖断面周边布置与通道方向基本平行的冻结孔,然后在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高、封水性好的冻土帷幕,然后在冻土帷幕的保护下进行隧道暗挖施工。其原理为：沿开挖断面周边布置与通道方向基本平行的冻结孔,然后在冻结孔中循环低温盐水,使冻结孔附近的含水地层结冰,形成强度高、封水性好的冻土帷幕,然后在冻土帷幕的保护下进行隧道暗挖施工。冻结法施工相较于其他传统施工方法具有如下优点：（1）冻结帷幕强度较高:-10℃时冻结粘土的抗压强度一般可达5mpa,冻结砂土的抗压强度一般可达8mpa以上；（2）冻土帷幕的止水性好,并且容易通过在冻土帷幕内设水文孔来检验；（3）对所处地层扰动较小,地面沉降控制把握性大；（4）不必占用地面场地。

传统隧道排水处理，一般是利用钻孔机在两侧边墙底部钻深度为5米左右的降水井，使得地下水沿降水井中流出，同时在两侧边墙设置排水沟以降低隧道内积水的水位；而排水沟修筑方法，是土方开挖完成后，采用木模板搭建形成排水沟的空腔，随后在木模板周围浇注仰拱层；木模板搭建的空腔上部设置排水沟盖板钢筋网，浇注排水沟盖板；随后还有在仰拱层和排水沟盖板上部浇注平整层等工序，待仰拱层和排水沟盖板都凝固满足强度标准后，拆除原来的木模板，即得到需要的排水沟。由于隧道的排水沟长度较长，采用上述实施方式时，需要使用大量模板、木枋，搭建和拆除模板框架也需要消耗很多工时，并且，排水效果不容易达到预期效果。

技术实现要素：

为了解决上述存在的技术问题，本发明提出了一种具有防渗排水功能的隧道结构及其冻结施工方法，旨在于解决隧道施工时地下水流失问题，从而避免因地下水位下降引起的地表塌陷，本发明突出隧道结构自防、排水能力，延长隧道服务寿命，维护隧道使用性能。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种具有防渗排水功能的隧道结构，包括冻结管、冻结止水层、保温混凝土层、滤水层、支护层、抗渗层、侧向集水管、底部排水管、防水层、二次衬砌层、低温盐水池、冻结站、冻结输送管和输送管，冻结管插入原设定的冻结止水范围内即冻结止水层中，保温混凝土层紧贴着冻结止水层的内部，在保温混凝土层内壁上半部分铺设滤水层，下半部分铺设抗渗层，侧向集水管内设于抗渗层并且侧向集水管的一端与滤水层无缝相接，支护层衬砌于滤水层和抗渗层形成圆环的内侧，其中支护层包括防水层和二次衬砌层，自内向外，先是二次衬砌层而后防水层，防水层紧贴于滤水层和抗渗层，底部排水管内嵌于抗渗层的内部，侧向集水管的另一端插入底部排水管的壁身，低温盐水池和冻结站的一端由输送管相连接，冻结站另一端与冻结输送管相连，冻结输送管可与冻结管相连。

进一步地，所述滤水层采用强度高于25mpa的透水混凝土铺设完成。

进一步地，所述侧向集水管设置在变形缝附近。

变形缝设置在软硬岩变化处，明暗分界处及抗震设防段,每30m设置一道。

所述采用低温盐水池提供盐水，对施工土体进行低温循环冻结。

所述冻结止水层明确规定了施工范围，避免冻结止水层外的水系流失。

保温混凝土层可对隧道开挖范围内的温度起到回缓作用。

滤水层针对隧道上方渗水及流水利用了水重力这一特点对隧道上方的水系进行引导排出。

抗渗层可加固隧道底部密实性及抗渗性，避免隧道底部渗水。

滤水层与抗渗层形成了“上引下防、上导下排”的隧道自我防御体系。

防水层紧贴于滤水层和抗渗层，在隧道能良好自防排水同时为隧道防水起到二次屏障作用。

进一步地，所述的一种具有防渗排水功能的隧道结构及其冻结施工方法，其特征在于：具体步骤如下：

先确定隧道开挖范围，冻结止水层划分在隧道开挖范围外，在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度，而后冻结管插入划定的冻结止水层，由低温盐水池提供低温盐水，由输送管对低温盐水向冻结站进行输送，经过冻结站加工后，由冻结输送管与冻结管相连，向地层导入循环的低温盐水，冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间，积极冻结的时间由设备能力、土质、环境决定，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖，正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段，旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间，维护冻结时间由结构施工的时间决定，而后砌筑保温混凝土层，稳定隧道开挖范围内温度，保温混凝土层养护好后，先进行隧道底部位置的抗渗层的砌筑，由中间向两侧，由下向上，底部排水管内置于隧道底部正下方的抗渗层，侧向集水管内置于抗渗层，排布在隧道两侧，置于变形缝和施工缝位置，每30m设置一道，抗渗层、侧向集水管以及底部排水管养护完毕，进行隧道上方滤水层的砌筑，自上而下衬砌，在此之后进行支护层的衬砌工作，包括防水层的铺设以及二次衬砌层，二次衬砌层采用干喷法完成。

本发明的有益效果：

1.本发明采用低温盐水池提供盐水，对施工土体进行低温循环冻结，减小对围岩扰动，避免对施工区以外的水系土壤造成破坏，尤其适用于地下水资源丰富的海绵城市，具有环保效益。

2.本发明所设的冻结止水层明确规定了施工范围，具有隔水作用，可缩小施工排水量，避免冻结止水层外的水系流失，减小因地下水流失而造成地表沉降的可能性，除此之外，所设的冻结止水层对于局部脆弱围岩具有提高围岩强度效用，可起到临时支撑作用。

3.本发明所设的保温混凝土层可对隧道开挖范围内的温度起到回缓作用，保证施工的正常进行，便于隧道开挖以及后续支护衬砌和混凝土养护的完成，缩短工期。

4.本发明所设的滤水层可对隧道上方流水具有较好的排出作用，利用了重力引水这一特点对隧道上方的水系进行引导排出，避免因隧道排水进行二次施工，同时减缓因流水挟带泥沙对隧道结构造成的冲击，节约施工成本和后期维护成本。

5.本发明所设的抗渗层可避免隧道底部渗水，避免因渗水加快衬砌混凝土的碳化速度，维护并延长了隧道结构使用性能和寿命。

6.本发明所设的滤水层与抗渗层形成了“上引下防、上导下排”的隧道自我防御体系，避免地下水及天然降水对隧道在变形缝等支护薄弱地带带来的损害。

7.本发明所设的防水层紧贴于滤水层和抗渗层，在隧道能良好排水同时也为隧道防水起到二次屏障作用，突出隧道自防、排水能力。

附图说明

图1隧道结构整体截面示意图。

图2支护层示意图。

图3侧向集水管与底部排水管排布连接示意图。

图4冻结原理示意图。

图中1为冻结管；2为冻结止水层；3为保温混凝土层；4为滤水层；5为支护层；6为抗渗层；7为侧向集水管；8为底部排水管；9为防水层；10为二次衬砌层；11为低温盐水池；12为冻结站；13为冻结输送管；14为输送管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：如图1~图4所示。本发明一种具有防渗排水功能的隧道结构，其包括冻结管1、冻结止水层2、保温混凝土层3、滤水层4、支护层5、抗渗层6、侧向集水管7、底部排水管8、防水层9、二次衬砌层10、低温盐水池11、冻结站12、冻结输送管13和输送管14，冻结管1插入原设定的冻结止水范围内即冻结止水层2中，保温混凝土层3紧贴着冻结止水层2的内部，在保温混凝土层3内壁上半部分铺设滤水层4，下半部分铺设抗渗层6，侧向集水管7内设于抗渗层6并且侧向集水管7的一端与滤水层4无缝相接，支护层5衬砌于滤水层4和抗渗层6形成圆环的内侧，其中支护层5包括防水层9和二次衬砌层10，自内向外，先是二次衬砌层10而后防水层9，防水层9紧贴于滤水层4和抗渗层6，底部排水管8内嵌于抗渗层6的内部，侧向集水管7的另一端插入底部排水管8的壁身，低温盐水池11和冻结站12的一端由输送管14相连接，冻结站12另一端与冻结输送管13相连，冻结输送管13可与冻结管1相连。

所述滤水层4采用强度高于25mpa的透水混凝土铺设完成。

所述侧向集水管7设置在变形缝附近。变形缝设置在软硬岩变化处，明暗分界处及抗震设防段,每30m设置一道。

所述的一种具有防渗排水功能的隧道结构及其冻结施工方法，具体步骤如下：

先确定隧道开挖范围，冻结止水层2划分在隧道开挖范围外，在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度，而后冻结管1插入划定的冻结止水层2，由低温盐水池11提供低温盐水，由输送管14对低温盐水向冻结站12进行输送，经过冻结站12加工后，由冻结输送管13与冻结管1相连，向地层导入循环的低温盐水，冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间，积极冻结的时间由设备能力、土质、环境决定，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖，正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段，旁通道维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间，维护冻结时间由结构施工的时间决定，而后砌筑保温混凝土层3，稳定隧道开挖范围内温度，保温混凝土层2养护好后，先进行隧道底部位置的抗渗层6的砌筑，由中间向两侧，由下向上，底部排水管8内置于隧道底部正下方的抗渗层6，侧向集水管7内置于抗渗层6，排布在隧道两侧，，置于变形缝和施工缝位置，每30m设置一道，抗渗层6、侧向集水管7以及底部排水管8养护完毕，进行隧道上方滤水层的砌筑，自上而下衬砌，在此之后进行支护层5的衬砌工作，包括防水层9的铺设以及二次衬砌层10，二次衬砌层10采用干喷法完成。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。